ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

При прочих равных условиях полная электрическая мощность генератора растёт с увеличением числа оборотов его якоря и увеличением числа полюсов его.

Содержание

[убрать]

· 1Принцип действия генераторов тока

· 2Особенности и устройство генераторов постоянного тока

· 3Реакция якоря

· 4Электродвижущая сила генератора постоянного тока

· 5Мощность генераторов постоянного тока

· 6Коэффициент полезного действия генераторов постоянного тока

· 7Классификация генераторов постоянного тока по способу их возбуждения

o 7.1Генераторы с независимым возбуждением

o 7.2Генераторы с параллельным возбуждением

o 7.3Генераторы с последовательным возбуждением

o 7.4Генераторы со смешанным возбуждением

· 8Применение генераторов постоянного тока

· 9Параллельная работа генераторов постоянного тока

· 10См. также

· 11Примечания

· 12Литература

· 13Ссылки

Принцип действия генераторов тока[править | править вики-текст]

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

Рис. 1 В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

и , где

и — мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

— магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

— длина каждой из активных сторон контура в метрах;

— линейная скорость, с которой вращаются активные стороны контура, в метрах в секунду;

— время в секундах;

и — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре,

будет равна , то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Особенности и устройство генераторов постоянного тока[править | править вики-текст]

Рис. 2 Рамка с током вращается в магнитном поле, токосъём происходит щётками с полуколец.

Рис. 3 Переменный синусоидальный ток Пульсирующий ток, снимаемый с двух полуколец Выпрямленный и сглаженный ток, снимаемый с якоря с большим количеством контуров и коллекторных пластин

В генераторах постоянного тока неподвижны магниты, создающие магнитное поле и называемые катушками возбуждения, а вращаются катушки, в которых индуктируется электродвижущая сила и с которых производится съём тока. Другая, главная особенность, состоит в способе съёма тока с катушек, который основан на том, что если концы активных сторон контура присоединить не к контактным кольцам (как это делается в генераторах переменного тока), а к полукольцам с изолированными промежутками между ними (как показано на рисунке 2) то тогда рамка с током будет давать во внешнюю цепь выпрямленное электрическое напряжение.

При вращении контура вместе с ним вращаются и полукольца вокруг их общей оси. Токосъём с полуколец осуществляется щётками. Так как щётки неподвижны, то они попеременно соприкасаются то с одним, то с другим полукольцом. Обмен полукольцами происходит в тот момент, когда синусоидальная электродвижущая сила в контуре переходит через своё нулевое значение. В результате каждая щётка сохраняет свою полярность неизменной. Если на полукольцах имеется некоторое синусоидальное напряжение, то на щётках оно уже становится выпрямленным (в данном случае пульсирующим). На практике в генераторах постоянного тока применяют не один проволочный контур, а значительно их большее количество, вывод от каждого конца каждого контура присоединяется к собственной контактной пластине, отделённой от соседних пластин изолирующими промежутками. Совокупность контактных пластин и изолирующих промежутков называется колле́ктор, контактная пластина носит название колле́кторная пласти́на. Весь узел в сборе (коллектор, щётки и держатели щёток) называется щёточно-колле́кторный у́зел. Материал, из которого изготавливают изолятор между коллекторными пластинами подбирается таким образом, чтобы еготвёрдость приблизительно равнялась твёрдости коллекторных пластин (для равномерного износа). Применяется, как правило, миканит (прессованная слюда). Коллекторные пластины, как правило, изготавливают из меди.

Ярмо (статор) шестиполюсного генератора постоянного тока. Видны полюсные наконечники особой формы.

Якорь генератора постоянного тока, цилиндр среднего диаметра —коллектор.

Остов (статор) генератора называется ярмо́. К ярму прикреплены сердечники электромагнитов, крышки с подшипниками, в которых вращается вал генератора. Ярмо изготавливается из ферромагнитного материала (литая сталь). На сердечники электромагнитов насажены катушки возбуждения. Чтобы придать магнитным линиям магнитного поля необходимое направление, сердечники электромагнитов снабжаются полюсными наконечниками. Электромагниты, питаемые постоянным током (током возбуждения) создают в генераторе магнитное поле. Катушка возбуждения состоит из витков медной изолированной проволоки, намотанной на каркас. Обмотки катушек возбуждения соединены друг с другом последовательно таким образом, что любые два соседних сердечника имеют разноимённую магнитную полярность.

Вращающаяся часть генератора (ротор) называется я́корь. Сердечник якоря изготавливается из электротехнической стали. Во избежание потерь на вихревые токи сердечник якоря собирается из отдельных стальных листов зубчатой формы, которые образуют впадины (пазы). Во впадины укладывается якорная (силовая) обмотка. В маломощных генераторах якорная обмотка изготавливается из медной изолированной проволоки, в мощных — из медных полос прямоугольной формы. Чтобы под действием центробежных сил якорная обмотка не была вырвана из пазов её закрепляют на сердечнике бандажами. Обмотка якоря наносится на сердечник так, что каждые два активных проводника, соединённых непосредственно и последовательно друг с другом, лежат под разными магнитными полюсами. Обмотка называется волновой, если провод проходит поочерёдно под всеми полюсами и возвращается к исходному полюсу, и петлевой, если провод, пройдя под «северным» полюсом, а затем под соседним «южным» полюсом, возвращается на прежний «северный» полюс.

Чтобы пластины коллектора и изолирующие миканитовые (слюдяные) пластины между ними не были вырваны центробежными силами из своих гнёзд — в нижней части они имеют крепление «ласточкин хвост».

Щётки, как правило, изготавливают из графита. Минимальное число щёток в генераторе постоянного тока равно двум: одна является положительным полюсом генератора (положительная щётка), другая — отрицательным полюсом (отрицательная щётка). В многополюсных генераторах число пар щёток обычно равняется числу пар полюсов, что обеспечивает лучшую работу генератора. Щётки одинаковой полярности (одноимённые щётки) электрически соединены друг с другом.

Щётка одновременно перекрывает две или три коллекторные пластины, это уменьшает искрение на коллекторе под щётками (улучшается коммутация).

Щёткодержатель обеспечивает постоянный прижим щёток вогнутой стороной к цилиндрической поверхности коллектора.

Реакция якоря[править | править вики-текст]

Результирующее магнитное поле.

Если генератор постоянного тока не нагружен (холостой ход генератора), то магнитное поле статора (обмоток возбуждения) симметрично относительно оси полюсов S — N и геометрической нейтрали (на рисунке обозначено Normal neutral plane). Когда генератор нагружен, то через его якорную обмотку протекает электрический ток и создаёт своё собственное магнитное поле. Магнитные поля статора и ротора накладываются друг на друга и образуют результирующее магнитное поле.

Там, где якорь при своём вращении набегает на полюс электромагнита (магнита) статора, там результирующее поле слабее, там, где сбегает — сильнее. Это объясняется тем, что в первом случае магнитные поля имеют различные направления, а во втором — одинаковые. Если отсутствует магнитное насыщение стали в магнитопроводах — тогда считается что результирующий магнитный поток не изменился по величине.

Однако по конфигурации результирующий магнитный поток значительно изменился, чем больше нагружен генератор и чем больше магнитное насыщение стали в магнитопроводах — тем сильнее проявляется реакция якоря и происходит некоторое уменьшение магнитного потока.

В результате электродвижущая сила генератора уменьшается и наблюдается искрение под щётками на коллекторе.

На практике с реакцией якоря борются:

1. применяя дополнительные магнитные полюса, компенсирующие магнитное поля якоря;

2. сдвигая щётки с геометрической нейтрали (Normal neutral plane) за физическую нейтраль (Actual neutral plane), устанавливая их и разворачивая на некоторый угол (на рисунке обозначено Commutating plane), что предупреждает искрение под щётками.

Электродвижущая сила генератора постоянного тока[править | править вики-текст]

Допустим, что в двухполюсном магнитном поле, магнитный поток которого равен , вращается якорь генератора с постоянным числом оборотов . Число всех активных проводников, расположенных на цилиндрической поверхности якоря и при вращении пересекающих магнитный поток равно .

Среднее значение индуктированной электродвижущей силы в каждом из активных проводников якоря равно , где

— число оборотов якоря в минуту;

— магнитный поток полюсов в Вебер;

— индуктированная электродвижущая сила в Вольт.

Активные проводники якоря генератора соединены последовательно друг с другом, индуктированная электродвижущая сила в них складывается. В двухполюсной машине всегда имеется пара параллельных ветвей якорной обмотки, поэтому средняя величина ЭДС в якорной обмотке равна ,

или , где — число всех активных проводников на якоре генератора.

Средняя величина индуктированной электродвижущей силы в генераторе прямо пропорциональна величине магнитного потока , числу оборотов якоря в минуту и числу активных проводников якоря.

Если многополюсной генератор имеет, например, полюсов и якорная обмотка его состоит из параллельных ветвей, то средняя величина индуктированной электродвижущей силы генератора равна

, или .

Мощность генераторов постоянного тока[править | править вики-текст]

Полная электрическая мощность, развиваемая генератором постоянного тока, равна произведению электродвижущей силы генератора на величину полного тока его якорной обмотки:

.

Если поддерживать ЭДС генератора постоянной, то полная электрическая мощность его будет пропорциональна току .

Согласно формуле ЭДС генератора :

При прочих равных условиях полная электрическая мощность генератора растёт с увеличением числа оборотов его якоря и увеличением числа полюсов его.

Полезная мощность , отдаваемая генератором во внешнюю цепь, равна произведению электрического напряжения на зажимах генератора на величину тока , посылаемого генератором во внешнюю цепь: , где

— полезная мощность в Ваттах;

— напряжение в Вольтах;

— ток в Амперах.

Коэффициент полезного действия генераторов постоянного тока[править | править вики-текст]

Отношение полезной мощности к полной мощности , развиваемой генератором, называется электрическим коэффициентом полезного действия , где

— коэффициент полезного действия (КПД);

— полезная мощность;

— полная мощность.

Электрический коэффициент полезного действия генератора зависит от его режима работы. КПД максимален при нормальной нагрузке, поэтому генератор всегда надо загружать полностью. Наименьшим КПД обладает при холостом ходе, когда ток во внешней цепи равен нулю.

Если генератор перегрузить, то его КПД будет уменьшаться из-за возросших потерь на нагрев якорной обмотки.

Мощные генераторы имеют бо́льший электрический коэффициент полезного действия, чем маломощные, в среднем КПД равен примерно 90 %.

Промышленным коэффициентом полезного действия называют отношение полезной мощности, развиваемой генератором, к той механической мощности, которую развивает двигатель на своём валу, вращая якорь генератора:

, где

— промышленный коэффициент полезного действия;

— полезная мощность, развиваемая генератором;

— механическая мощность, развиваемая первичным двигателем на валу.

Промышленный коэффициент полезного действия, кроме электрических потерь в генераторе учитывает все механические и магнитные потери, поэтому он меньше, чем электрический коэффициент полезного действия.

Классификация генераторов постоянного тока по способу их возбуждения[править | править вики-текст]

В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы подразделяются на:

1. генераторы с независимым возбуждением;

2. генераторы с самовозбуждением;

· генераторы с параллельным возбуждением, или шунтовые генераторы^[1];

· генераторы с последовательным возбуждением, или сериесные генераторы^[1];

· генераторы со смешанным возбуждением, или компаунд-генераторы^[1];

Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Основные характеристики таких генераторов близки к характеристикам генераторов с независимым возбуждением.

Основными величинами, характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются:

· электродвижущая сила ,

· электрическое напряжение на зажимах генератора ,

· нагрузка (электрический ток, даваемый генератором потребителю) ,

· ток возбуждения ,

· число оборотов якоря в минуту .

Зависимость между какими-либо двумя основными величинами, характеризующими работу генератора, называется характеристикой генератора.

Основными характеристиками генератора являются характеристики:

· холостого хода;

· внешняя (нагрузочная);

· регулировочная.

Генераторы с независимым возбуждением[править | править вики-текст]

В генераторе постоянного тока с независимым возбуждением обмотка возбуждения не связана электрически с якорной обмоткой. Она питается постоянным током от внешнего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи; мощные генераторы имеют на общем валу небольшой генератор-возбудитель. Ток возбуждения не зависит от тока якоря , который равен току нагрузки . Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1…3 % от номинального тока якоря. Последовательно с обмоткой возбуждения подключен регулировочный реостат (реостат возбуждения). Он изменяет величину тока возбуждения , тем самым регулируется электродвижущая сила .

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Характеристика холостого хода показывает зависимость электрического напряжения от тока возбуждения при постоянном числе оборотов . Генератор отсоединён от внешней цепи (нагрузка отсутствует). При токе возбуждения ЭДС генератора не равна нулю, а составляет 2…4 % от . Эта электродвижущая сила называется начальной или остаточной ЭДС, обусловлена наличием остаточного магнетизма в магнитной цепи генератора. Затем по мере увеличения тока возбуждения ЭДС растёт, изменяясь согласно кривой, напоминающей кривую намагничивания ферромагнитных материалов.

ЭДС генератора вначале растёт быстро (участок характеристики), изменяясь по линейному закону. Это объясняется тем, что при малых величинах тока возбуждения сталь генератора слабо намагничена, её магнитное сопротивление мало из-за относительно большой магнитной проницаемости стали.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения линейная зависимость между ним и ЭДС генератора нарушается (участок характеристики). Это объясняется тем, что по мере возрастания тока возбуждения начинает сказываться явление магнитного насыщения стали.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения (участок характеристики) в стали генератора возникает сильное магнитное насыщение. Магнитная проницаемость стали становится небольшой, а магнитное сопротивление стали, наоборот, возрастает. Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием магнитного гистерезиса в магнитопроводе машины.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Внешней характеристикой называется зависимость при и . Под нагрузкой напряжение генератора , где — сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки).

Когда генератор нормально возбуждён, то есть при нормальном числе оборотов якоря в минуту имеет номинальную ЭДС, его можно нагрузить током, подключив к нему потребителей электрической энергии.

Нагруженный генератор создаёт в цепи ток , где

— нагрузка генератора в амперах;

— электродвижущая сила генератора в вольтах;

— сопротивление якорной обмотки в омах;

— эквивалентное сопротивление внешнего участка цепи (потребители электроэнергии).

Напряжение на зажимах генератора , то есть оно равно электродвижущей силе генератора без падения напряжения в якорной обмотке генератора.

При токе (режим холостого хода) напряжение на зажимах генератора равно его электродвижущей силе: , где — напряжение холостого хода генератора.

С увеличением нагрузки напряжение на его зажимах уменьшается по двум причинам:

· из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении машины;

· из-за уменьшения ЭДС в результате размагничивающего действия реакции якоря.

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока — зависимость тока возбуждения от нагрузки (силы тока) при постоянном напряжении и постоянном числе оборотов .

При холостом ходе генератор имеет минимальный ток возбуждения . Затем по мере роста нагрузки ток возбуждения тоже растёт. Для поддержания постоянства напряжения на зажимах генератора необходимо увеличивать его электродвижущую силу , что и достигается увеличением тока возбуждения .

Чем больше магнитное насыщение стали генератора, тем при прочих одинаковых условиях круче поднимается график регулировочной характеристики. Это объясняется тем, что с ростом тока в якорной обмотке усиливается размагничивающее действие реакции якоря и для компенсации его необходимо увеличивать ток возбуждения.

Достоинство генераторов постоянного тока с независимым возбуждением заключается в их хорошей внешней характеристике, так как ток возбуждения независим от напряжения на зажимах генератора.

Недостаток таких генераторов — необходимость иметь посторонний источник электрической энергии, питающий постоянным током обмотку возбуждения.

Генераторы постоянного тока с независимым возбуждением применяются главным образом в мощных сильноточных установках.

Генераторы с параллельным возбуждением[править | править вики-текст]

В генераторе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы потребителей электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора, несмотря на изменение общей нагрузки. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения.

Реостаты возбуждения имеют, как правило, холостые контакты, при помощи которых можно осуществить короткое замыкание обмотки возбуждения «на себя». Это необходимо при отключении обмотки возбуждения. Если выключить обмотку возбуждения путём разрыва её цепи, то исчезающее магнитное поле создаст очень большую ЭДС самоиндукции, способную пробить изоляцию обмотки и вывести генератор из строя. При коротком замыкании обмотки возбуждения при её отключении энергия исчезающего магнитного поля переходит в тепло, не причиняя вреда обмотке возбуждения, так как ЭДС самоиндукции не превысит номинального напряжения на зажимах генератора.

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением сам питает свою обмотку возбуждения и не нуждается в постороннем источнике электрической энергии. Самовозбуждение генератора возможно только при наличии остаточного магнетизма в сердечниках электромагнитов, поэтому они изготавливаются из литой стали и после прекращения работы генератора сохраняется остаточный магнетизм. Так как обмотка возбуждения подключена к его зажимам, то в ней при вращении якоря в его обмотке потоком остаточного магнетизма индуктируется ЭДС , и по обмотке возбуждения начинает протекать ток. Если обмотка возбуждения включена правильно, так, что её магнитный поток направлен «попутно» с магнитным потоком остаточного магнетизма, то суммарный магнитный поток возрастает, увеличивая ЭДС , магнитный поток и ток возбуждения . Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с , , зависящими от величины сопротивления цепи возбуждения.

Однако процесс нарастания электродвижущей силы генератора (процесс самовозбуждения генератора) не прогрессирует, то есть ЭДС генератора не возрастает неограниченно. Всякий раз рост индуктированной ЭДС генератора ограничен тем или иным пределом. Для этого необходимо рассмотреть характеристику холостого хода генератора.

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока с параллельным возбуждением